Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Pupilolie om auditieve sensatie bij cavia's te beoordelen

2.3K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/64581

⸱

6 januari 2023

 ,  ,  , 
1Department of Neurobiology, University of Pittsburgh, 2Center for Neuroscience, University of Pittsburgh, 3Department of Bioengineering, University of Pittsburgh, 4Center for Neural Basis of Cognition, University of Pittsburgh, 5Department of Communication Science and Disorders, University of Pittsburgh, 6Department of Transfer and Innovation, USC University Hospital Complex (CHUS), University of Santiago de Compostela

In dit artikel

Samenvatting

Pupillometrie, een eenvoudige en niet-invasieve techniek, wordt voorgesteld als een methode om gehoor-in-lawaai drempels te bepalen bij normaal horende dieren en diermodellen van verschillende auditieve pathologieën.

Samenvatting

Blootstelling aan lawaai is een belangrijke oorzaak van perceptief gehoorverlies. Diermodellen van lawaai-geïnduceerd gehoorverlies hebben mechanistisch inzicht gegenereerd in de onderliggende anatomische en fysiologische pathologieën van gehoorverlies. Het relateren van gedragstekorten waargenomen bij mensen met gehoorverlies aan gedragsstoornissen in diermodellen blijft echter een uitdaging. Hier wordt pupillometrie voorgesteld als een methode die de directe vergelijking van dierlijke en menselijke gedragsgegevens mogelijk maakt. De methode is gebaseerd op een aangepast oddball-paradigma - het onderwerp laten wennen aan de herhaalde presentatie van een stimulus en met tussenpozen een afwijkende stimulus presenteren die op een of andere parametrische manier varieert van de herhaalde stimulus. Het fundamentele uitgangspunt is dat als de verandering tussen de herhaalde en afwijkende stimulus door de proefpersoon wordt gedetecteerd, dit een pupilverwijdingsrespons zal veroorzaken die groter is dan die welke wordt opgewekt door de herhaalde stimulus. Deze aanpak wordt gedemonstreerd met behulp van een vocalisatiecategorisatietaak bij cavia's, een diermodel dat veel wordt gebruikt in auditief onderzoek, waaronder in gehoorverliesstudies. Door vocalisaties uit de ene vocalisatiecategorie als standaardstimuli te presenteren en een tweede categorie als oddball-stimuli ingebed in ruis bij verschillende signaal-ruisverhoudingen, wordt aangetoond dat de grootte van pupilverwijding als reactie op de oddball-categorie monotoon varieert met de signaal-ruisverhouding. Groeicurveanalyses kunnen vervolgens worden gebruikt om het tijdsverloop en de statistische significantie van deze pupilverwijdingsresponsen te karakteriseren. In dit protocol worden gedetailleerde procedures beschreven voor het wennen van cavia's aan de opstelling, het uitvoeren van pupillometrie en het evalueren / analyseren van gegevens. Hoewel deze techniek in dit protocol wordt gedemonstreerd bij normaal horende cavia's, kan de methode worden gebruikt om de sensorische effecten van verschillende vormen van gehoorverlies bij elke proefpersoon te beoordelen. Deze effecten kunnen dan worden gecorreleerd met gelijktijdige elektrofysiologische metingen en post-hoc anatomische observaties.

Inleiding

Pupildiameter (PD) kan worden beïnvloed door een groot aantal factoren en de meting van PD die in de loop van de tijd verandert, staat bekend als pupillometrie. PD wordt gecontroleerd door de irissfincterspier (betrokken bij vernauwing) en de irisverwijderspier (betrokken bij verwijding). De vernauwingsspier wordt geïnnerveerd door het parasympathische systeem en omvat cholinerge projecties, terwijl de irisdilatator wordt geïnnerveerd door het sympathische systeem met noradrenerge en cholinerge projecties 1,2,3. De bekendste stimulus om PD-veranderingen te induceren is luminantie-vernauwing en verwijdingsreacties van de pupil kunnen worden geproduceerd door variaties in omgevingslichtintensiteit2. PD verandert ook als functie van brandpuntsafstand2. Het is echter al tientallen jaren bekend dat PD ook niet-luminantie-gerelateerde fluctuaties 4,5,6,7 vertoont. Veranderingen in interne mentale toestanden kunnen bijvoorbeeld voorbijgaande PD-veranderingen veroorzaken. De pupil verwijdt zich als reactie op emotioneel geladen prikkels of neemt toe met opwinding 4,5,8,9. Pupilverwijding kan ook verband houden met andere cognitieve mechanismen, zoals verhoogde mentale inspanning of aandacht10,11,12,13. Vanwege deze relatie tussen variaties in de grootte van de pupil en mentale toestanden, zijn PD-veranderingen onderzocht als een marker van klinische stoornissen zoals schizofrenie 14,15, angst 16,17,18, de ziekte van Parkinson 19,20 en de ziekte van Alzheimer 21 onder andere. Bij dieren volgen PD-veranderingen interne gedragstoestanden en zijn gecorreleerd met neuronale activiteitsniveaus in corticale gebieden22,23,24,25. De diameter van de pupil is ook een betrouwbare indicator gebleken voor de slaaptoestand bij muizen26. Deze PD-veranderingen met betrekking tot opwinding en de interne toestand treden meestal op op lange tijdschalen van de orde van enkele tientallen seconden.

In het domein van het gehooronderzoek, zowel bij normaal horenden als bij slechthorenden, zijn luisterinspanning en auditieve waarneming beoordeeld met behulp van pupillometrie. Deze studies omvatten meestal getrainde proefpersonen27,28,29,30 die verschillende soorten detectie- of herkenningstaken uitvoeren. Vanwege de bovengenoemde relatie tussen opwinding en PD, is aangetoond dat verhoogde taakbetrokkenheid en luisterinspanning gecorreleerd zijn met verhoogde pupilverwijdingsresponsen 30,31,32,33,34,35. Puplillometrie is dus gebruikt om aan te tonen dat verhoogde luisterinspanning wordt besteed aan het herkennen van spectraal gedegradeerde spraak bij normaal horende luisteraars29,36. Bij slechthorende luisteraars, zoals mensen met leeftijdsgebonden gehoorverlies 27,30,37,38,39,40,41 en gebruikers van cochleaire implantaten 42,43, namen de reacties van leerlingen ook toe met afnemende spraakverstaanbaarheid; Slechthorende luisteraars vertoonden echter een grotere pupilverwijding in gemakkelijkere luisteromstandigheden in vergelijking met normaal horende proefpersonen 27,30,37,38,39,40,41,42,43. Maar experimenten waarbij de luisteraar een herkenningstaak moet uitvoeren, zijn niet altijd mogelijk - bijvoorbeeld bij baby's of in sommige diermodellen. Niet-luminantiegerelateerde pupilreacties die worden opgeroepen door akoestische stimuli zouden dus een haalbare alternatieve methode kunnen zijn om auditieve detectie in deze gevallen te beoordelen44,45. Eerdere studies toonden een voorbijgaande en stimulus-gekoppelde pupilverwijding aan als onderdeel van de oriëntatiereflex46. Latere studies hebben het gebruik van stimulus-gekoppelde pupilverwijdingen aangetoond om frequentiegevoeligheidscurves af te leiden bij uilen47,48. Onlangs zijn deze methoden aangepast om de gevoeligheid van de pupilverwijdingsrespons bij menselijke zuigelingente beoordelen 48. Pupillometrie is een betrouwbare en niet-invasieve benadering gebleken om auditieve detectie- en discriminatiedrempels bij passief luisterende cavia's (huisartsen) te schatten door gebruik te maken van een breed scala aan eenvoudige (tonen) en complexe (GP-vocalisaties) stimuli49. Deze stimulusgerelateerde PD-veranderingen treden meestal op snellere tijdschalen van de orde van enkele seconden op en zijn gekoppeld aan stimulustiming. Hier wordt pupillometrie van stimulusgerelateerde PD-veranderingen voorgesteld als een methode om gedragseffecten van verschillende soorten gehoorstoornissen in diermodellen te bestuderen. In het bijzonder worden pupillometrieprotocollen voor gebruik bij huisartsen, een goed ingeburgerd diermodel van verschillende soorten auditieve pathologieën 50,51,52,53,54,55,56 (zie ook referentie 57 voor een uitputtende beoordeling) beschreven.

Hoewel deze techniek wordt gedemonstreerd bij normaal horende huisartsen, kunnen deze methoden gemakkelijk worden aangepast aan andere diermodellen en diermodellen van verschillende auditieve pathologieën. Belangrijk is dat pupillometrie kan worden gecombineerd met andere niet-invasieve metingen zoals EEG, evenals met invasieve elektrofysiologische opnames om de mechanismen te bestuderen die ten grondslag liggen aan mogelijke geluidsdetectie en perceptietekorten. Ten slotte kan deze benadering ook worden gebruikt om brede overeenkomsten tussen menselijke en dierlijke modellen vast te stellen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

Voor alle experimentele procedures moet u goedkeuring verkrijgen van het Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) en zich houden aan de NIH-richtlijnen voor de verzorging en het gebruik van proefdieren. In de Verenigde Staten van Amerika zijn huisartsen bovendien onderworpen aan de voorschriften van het Amerikaanse ministerie van Landbouw (USDA). Alle procedures in dit protocol werden goedgekeurd door de Universiteit van Pittsburgh IACUC en hielden zich aan de NIH-richtlijnen voor de verzorging en het gebruik van proefdieren. Voor dit experiment werden drie mannelijke wildtype, gepigmenteerde huisartsen tussen 4 en 10 maanden oud, met ~ 600-1.000 g gewicht gebruikt.

1. Chirurgische ingreep

  1. Voer alle pupillometrie-experimenten uit in wakkere, hoofdvaste en passief luisterende gepigmenteerde huisartsen. Controleer het normale gehoor bij proefpersonen met behulp van click- en pure-tone auditieve hersenstamrespons (ABR) -opnames58.
    OPMERKING: Hoewel het verzamelen van pupillometriegegevens op zichzelf niet-invasief is, wordt in dit protocol een invasieve hoofdpostimplantaatoperatie gebruikt voor het immobiliseren van het hoofd van het dier tijdens de procedure. Alternatieven worden gepresenteerd in het gedeelte Discussie.
  2. Implanteer eerst alle proefdieren met een roestvrijstalen koppaal voor hoofdfixatie onder isofluraananesthesie. Gebruik aseptische chirurgische technieken om de hoofdpaal aan de schedel te verankeren met behulp van een combinatie van botschroeven en tandacryl58.
  3. Geef de dieren postoperatieve zorg, inclusief de toediening van systemische en actuele analgetica. Na een herstelperiode van 2 weken kunt u dieren geleidelijk acclimatiseren aan de experimentele opstelling.
    OPMERKING: De chirurgische procedure is gebaseerd op eerder gepubliceerde methoden bij huisartsen58 en andere soorten59,60 en is niet de focus van dit protocol.

2. Wenning van het dier aan de proefopstelling

OPMERKING: Experimenten vinden meestal plaats in een geluiddempende kamer of cabine (zie Materiaaltabel). De tijd die nodig is om een dier vertrouwd te maken met de opstelling varieert van onderwerp tot onderwerp. Typische acclimatisatietijden worden hieronder vermeld. Een goed geacclimatiseerd dier verdraagt hoofdfixatie met minimale lichaamsbeweging en resulteert in betere pupildiametermetingen.

  1. Na een herstelperiode van 2 weken, maak de dieren eerst vertrouwd met het hanteren en vervoeren (2-3 dagen). Deze acclimatisatie is essentieel om stress en angst te verminderen. Om het dier vertrouwd te maken met het hanteren, plaatst u het dier gedurende toenemende tijd (10-30 minuten) in zijn transportcontainer en hanteert u het dier gedurende toenemende tijd (10-30 minuten).
  2. Laat het dier vervolgens wennen aan de experimentele opstelling (2-3 dagen) door het dier gedurende 10-45 minuten in een verblijf te plaatsen (figuur 1A). De leefruimte moet kleine houdingsverschuivingen mogelijk maken voor het comfort van het dier tijdens het experiment. Houd rekening met kleine houdingsverschuivingen voor het comfort van het dier tijdens het experiment. Het is echter bekend dat pupilverwijding voorafgaat aan beweging49. Meet daarom de beweging van het dier en houd rekening met deze beweging in de data-analyse (figuur 1C).
  3. Als onderdeel van deze acclimatisatie, hanteer je handmatig de geïmplanteerde hoofdpost, alsof het dier met het hoofd wordt gefixeerd. Houd de hoofdpaal gedurende langere tijd vast (10-60 s).
  4. Probeer na handmatige acclimatisatie en afhankelijk van het gedrag van het dier het hoofd aan een stijf frame te bevestigen met behulp van de implantaathouder.
  5. Verhoog langzaam de duur van de kopfixatie (10-45 minuten) totdat het dier kalm en relatief stil is terwijl het hoofd gefixeerd is (2-3 dagen).
  6. Wen het dier aan de aanwezigheid van de camera, IR-lichtbron en witte lichtbron (1-2 dagen). Schakel het witte licht in en verhoog de duur geleidelijk (10 min tot 30 min).
  7. Wen het dier aan akoestische stimulatie door een verscheidenheid aan geluiden af te spelen (bijv. Zuivere tonen, klikken, vocalisaties) op verschillende geluidsniveaus (1-2 dagen, gelijktijdig met stap 2.6). Om gewenning aan experimentele stimuli te minimaliseren, gebruikt u geluiden die verschillen van die gepland voor de pupillometrie-experimenten in deze stap.

3. Kalibratie van de pupilcamera

OPMERKING: De camera die wordt gebruikt voor pupillometrie voert een video uit via USB naar de pupillometriesoftwaresuite. Uit deze video wordt de pupildiameter geëxtraheerd met behulp van een ellips en door de gebruiker instelbare drempelwaarde door de pupillometriesoftwaresuite (zie Materiaaltabel). De software koppelt vervolgens met een digitaal-naar-analoog kaart. De kaart geeft een analoge spanningswaarde weer die evenredig is met de pupildiameter. Kalibratie is nodig om deze spanningswaarde terug te zetten naar pupildiameter in lengte-eenheden.

  1. Plaats een vel papier met afbeeldingen van zwarte schijven met een bekende diameter op dezelfde locatie waar het oog van de huisarts zich tijdens de pupillometrie bevindt. Voor huisartsen ligt PD in het 4 mm-bereik. Voer daarom kalibratie uit met schijven van 3 mm, 4 mm en 5 mm.
  2. Plaats de pupillometriecamera (zie materiaaltabel) op dezelfde afstand (25 cm) waarop de experimenten zullen worden uitgevoerd. Pas het diafragma en de scherpstelling van de camera aan totdat een scherp scherpgesteld beeld van een schijf met een bekende diameter is verkregen.
  3. Pas in de pupillometrie-acquisitiesoftware (zie Materiaaltabel) de drempel aan zodat de omtrek van de ellips nauw aansluit bij de afgebeelde schijf en noteer de analoge uitgangsspanningswaarde en schaling.
  4. Herhaal deze procedure voor de schijven van 3 mm, 4 mm en 5 mm. Tabelvorm vervolgens de werkelijke diameterwaarden (in mm) die overeenkomen met de analoge uitgangsspanningswaarden.

4. Pupillometrie data acquisitie

  1. Voer alle experimenten uit in een geluiddempende cabine of kamer, met de binnenwanden bedekt met anechoïsch schuim.
  2. Voor vrijeveldprikkelafgifte monteert u een gekalibreerde luidspreker op de geluiddempende kamerwand, op een gelijke hoogte als de positie waar het dier zal worden geplaatst.
    OPMERKING: De keuze van de luidspreker hangt af van de soort die wordt bestudeerd en de geplande stimuli. Gebruik voor GP-vocalisaties een full-range driverluidspreker met een relatief vlakke (±3 dB) frequentierespons in het vocalisatiefrequentiebereik van 0,5-3 kHz (figuur 1A).
  3. Plaats het dier in de leefruimte en zorg ervoor dat grote lichaamsbewegingen niet mogelijk zijn (figuur 1A). Bevestig de kop van het dier aan het stijve frame zoals beschreven in stap 2 (figuur 1A).
  4. Plaats een piëzo-elektrische sensor onder de behuizing om bewegingen van dieren te detecteren en te registreren (figuur 1A).
  5. Om de luchtpuf in te stellen, gebruikt u een houder die aan het tafelblad is bevestigd om een pipetpunt op ~ 15 cm voor de snuit van het dier te plaatsen. Sluit een siliconen buis (~ 3 mm diameter) aan op de pipetpunt en sluit de buis aan op een gereguleerde luchtcilinder.
  6. Houd de luchtdruk van de cilinder tussen 20 en 25 psi. Haal de buis door een knijpventiel om de timing en duur van de luchtpuf te regelen met behulp van een computergestuurd relais.
  7. Verlicht het oog met een infrarood LED-array op ~ 10 cm afstand. Gebruik witte LED-verlichting met een intensiteit van ~2.000 cd/m2 om het afgebeelde oog te verlichten en de basislijn PD op ~3,5 mm te brengen. Zorg voor constante verlichtingsomstandigheden in de experimentele kamer tijdens experimentele sessies.
    OPMERKING: Bij normale laboratoriumverlichting (~500 cd/m2) is de gp-pupil vrij verwijd en kan verdere stimulusgerelateerde dilatatie niet worden waargenomen. Door extra verlichting te gebruiken, wordt de pupil naar een basisdiameter van ~ 3,5 mm gebracht, waardoor een voldoende dynamisch bereik mogelijk is om stimulusgerelateerde dilatatie waar te nemen. Dit zorgt ook voor consistente basislijnen voor sessies en onderwerpen.
  8. Open de pupilacquisitiesoftware en verkrijg de video (met 90 fps) van de pupil met behulp van een camera met een 16 mm-lens (ruimtelijke resolutie van 0,15 ° visuele hoek) en infrarood (IR) filter geplaatst op een afstand van 25 cm van het afgebeelde oog. Zorg ervoor dat het oog gecentreerd is in het afgebeelde gebied.
  9. Regel het diafragma en de scherpstelling van de camera, evenals het IR-niveau totdat de omtrek van de afgebeelde pupil scherp is.
  10. Definieer in de leerlingacquisitiesoftware het interessegebied van de pupil door met de muis een rechthoekig gebied te selecteren.
  11. Gebruik het bedieningspaneel van de leerlingacquisitiesoftware om de helderheid en het contrast van de verkregen video aan te passen. Stel de scandichtheid in op 5 en pas de drempel zodanig aan dat de ellips nauw aansluit bij de omtrek van de pupil in de video.
  12. Gebruik de neurale interfaceprocessorsoftware om het analoge signaal van het PD-spoor, het spanningsspoor van de piëzo-elektrische sensor dat beweging registreert, de levertijden van de stimulus en de levertijden van de luchtpuf te verkrijgen en op te slaan.

5. Call-in-noise detectie en categorische discriminatie met behulp van een aangepast oddball-paradigma

OPMERKING: De stimuli voor pupillometrie-experimenten bestonden uit GP-vocalisaties die werden geregistreerd in een dierkolonie58. De vocalisatiesamples zijn te vinden in de volgende repository: https://github.com/vatsunlab/CaviaVOX. In het bijzonder werden piep- en zeurkreten gebruikt om de leerlingreacties uit te lokken die in de representatieve resultaten werden getoond. Kies uit elke categorie vocalisaties waarvan de lengte ongeveer gelijk is. Om rekening te houden met verschillen in de opnameamplitude en temporele omhulsels van de vocalisaties, normaliseert u de vocalisaties indien nodig door hun wortelgemiddelde kwadratische (r.m.s.) amplitudes.

  1. Presenteer de auditieve stimuli met behulp van MATLAB met een geschikte bemonsteringsfrequentie. Voor huisartsen, die laagfrequent horende dieren zijn, is een bemonsteringsfrequentie van 100 kHz voldoende.
  2. Selecteer acht verschillende voorbeelden van GP-vocalisaties van vergelijkbare lengte uit twee verschillende categorieën vocalisaties (bijv. Wheet-oproepen en zeuroproepen). Eén categorie (acht exemplaren) zal dienen als standaardprikkels en de andere categorie (acht exemplaren) zal dienen als de vreemde of afwijkende prikkels (figuur 2A).
  3. Om 1 s lange standaard en afwijkende stimuli ingebed in ruis te genereren op verschillende signaal-ruisverhouding (SNR) niveaus, voegt u witte ruis van gelijke lengte toe aan de oproepen (gated noise). Het bereik van SNR's dat in dit experiment is bemonsterd, ligt tussen -24 dB SNR en +40 dB SNR.
  4. Met behulp van een blokontwerp worden in elke experimentele sessie (~ 12 minuten duur) gegevens verkregen die overeenkomen met een enkel SNR-niveau. Gebruik in elke sessie acht exemplaren van één vocalisatiecategorie bij een bepaalde SNR als standaardstimuli en acht exemplaren van de andere vocalisatiecategorie op datzelfde SNR-niveau als afwijkende stimuli.
    OPMERKING: Een typisch experimenteel blok duurt ~ 12 minuten. Afhankelijk van het gedrag van het dier en de gewenning van pupilreacties, kan het mogelijk zijn om gegevens te verzamelen voor 3-4 blokken per dag (~ 45 - 60 minuten). Volg het dier gedurende deze hele duur nauwlettend via de pupilvideo, het bewegingsspoor en direct tussen blokken.
  5. Bereid voor elke sessie een pseudorandom-stimuluspresentatiereeks voor die >90% van de tijd standaardstimuli bevat. Zorg ervoor dat er tussen afwijkende prikkels minstens 20 proeven zijn met standaard prikkels (figuur 2B).
    OPMERKING: Afhankelijk van het experiment kan de volgorde van afwijkende stimuli binnen de stimuluspresentatievolgorde een Latijns vierkant ontwerp aannemen om ervoor te zorgen dat elke unieke afwijkende stimulus in elke sessie een unieke sequentiële positie inneemt. Gemiddelden over alle sessies kunnen dus het effect van de afwijkende stimuluspositie binnen de totale stimulussequentie minimaliseren.
  6. Gebruik een vaste stimulusintensiteit (bijvoorbeeld 85 dB SPL) voor alle stimuluspresentatie.
    OPMERKING: Gebruik een geschikte digitaal-naar-analoog converter om een audiosignaal te genereren, demp het tot het gewenste geluidsniveau met behulp van een programmeerbare verzwakker, versterk het signaal en lever het signaal af met behulp van een gekalibreerde luidspreker (bijvoorbeeld hardware, zie Materiaaltabel).
  7. Presenteer de stimuli met een hoge temporele regelmaat (1 s stimulus gevolgd door 3 s stilte zoals weergegeven in de representatieve resultaten).
    OPMERKING: De pupilverwijdingsreacties zijn traag, meestal pieken ze ongeveer 1 s na het begin van de stimulus en duurt het ongeveer 5 s om terug te keren naar baseline49. De stimuluspresentatiesnelheid moet laag genoeg zijn om rekening te houden met deze trage tijdschalen. Temporele regelmaat is belangrijk omdat het mogelijk is dat het onderbreken van het timingpatroon zelf als een afwijkende stimulus kan werken.
  8. Om de betrokkenheid van het dier bij de stimuli te behouden en gewenning te minimaliseren, geeft u optioneel een korte luchtpuf (100 ms) na de afwijkende stimulus. Zorg ervoor dat het begin van de luchtpuf voldoende gescheiden is van de stimulusduur (2,5 s vanaf het begin van de stimulus), zodat stimulus-opgewekte pupilverwijdingsreacties een piek bereiken voordat luchtpuf geïnduceerde knipperartefacten veroorzaakt.
    OPMERKING: In het klassieke oddball-paradigma worden geen positieve of negatieve versterkingen gebruikt. Omdat een luchtpuf hier wordt gebruikt als een licht aversieve versterking om de betrokkenheid van het dier bij de auditieve stimuli te behouden, wordt het paradigma een gemodificeerd oddball-paradigma genoemd.

6. Analyse en statistieken

OPMERKING: Alle analyses zijn uitgevoerd met behulp van aangepaste code geschreven in MATLAB (beschikbaar op https://github.com/vatsunlab/GP_Pupil). Er worden twee hoofdanalysemethoden beschreven, die respectievelijk betrekking hebben op de betrouwbaarheid en het tijdsverloop van leerlingresponsen. De keuze van een of beide methoden zal worden bepaald door experimenteel ontwerp.

  1. Bewegingsdetectie en proefuitsluiting
    1. Gebruik de code pupil_avg_JOVE.m. om bewegingsdetectie en proefuitsluiting uit te voeren voor elke sessie. Om dit te doen, voert u de code uit en selecteert u het gegevensbestand uit een enkele sessie in het pop-upvenster.
    2. Detrendeer lineair het PD-spoor en converteer de eenheden van spanning naar micrometers met behulp van de eerder afgeleide kalibratietabel (zie stap 3). Detrend ook lineair het bewegingsspoor over de hele opnamesessie (~ 12 min).
    3. Inspecteer de sessiegegevens door het pupilspoor (figuur 1B - bovenste rij) en het lineair gedetrendeerde bewegingsspoor (figuur 1B - onderste rij) over de sessieduur (~ 12 minuten) te plotten, bedekt met proefmarkeringen.
    4. Meet de standaardafwijking (SD) van het bewegingsspoor. Verkrijg de tijden van bewegingstraceringspieken met behulp van de findpeaks-functie in MATLAB. Beschouw de pieken die een drempel van 5 SDs overschreden en die minstens 1 s gescheiden zijn van andere pieken als een bewegingsgebeurtenis49 (Figuur 1B - onder).
    5. Gooi alle proeven (zowel standaard als afwijkend) van pupilverwijding weg die optreedt binnen 7 s van een bewegingsgebeurtenis. Als meer dan de helft van het aantal afwijkende onderzoeken wordt weggegooid vanwege bewegingsgerelateerde pupilverwijding, gooi dan de hele sessie weg en herhaal deze.
  2. Voorbewerking en visualisatie van gegevens
    1. Gebruik de code pupil_avg_JOVE.m. om oogknipperartefacten te verwijderen, de gegevens vooraf te verwerken en de gemiddelde pupilverwijding voor elke stimulus tijdens sessies te verkrijgen. Om dit te doen, voert u de code uit en selecteert u alle gegevensbestanden die moeten worden geanalyseerd in het pop-upvenster.
    2. Detecteer oogknipperingen (PD-veranderingen van meer dan 400 μm/ms) en verwijder ze door het PD-spoor lineair te interpoleren in een tijdvenster van 200 ms gecentreerd op de gedetecteerde knippertijd. Gooi de sessiegegevens weg als meer dan de helft van het aantal afwijkende onderzoeken een oogknippering bevat tussen het begin van de stimulus en het begin van de luchtpuf.
    3. Downsample PD-gegevens van de acquisitiebemonsteringsfrequentie van 1.000 Hz tot 10 Hz.
    4. Extraheer PD-sporen in een venster dat begint 1 s vóór het begin van de stimulus en 5 s duurt na stimulusverschuiving. Bereken de gemiddelde baseline PD voor elke stimulus in een venster van 500 ms net voor het begin van de stimulus. Trek de baseline PD van deze sporen af om de stimulus-opgewekte verandering in PD te verkrijgen.
    5. Gemiddelde van de stimulus-opgewekte PD-veranderingen voor elke stimulusconditie over sessies binnen elk dier en vervolgens over dieren om de gemiddelde pupilverwijdingsrespons op elke stimulusconditie te genereren (bijvoorbeeld figuur 3A).
  3. Groeicurveanalyse (GCA) voor het kwantificeren van het tijdsverloop van PD-veranderingen
    OPMERKING: Deze analysemethode bepaalt de omvang en het tijdsverloop van pupilverwijdingsresponsen en is gebruikt in pupillometrische studies van menselijke proefpersonen 27,36,40 en bij cavia's 49.
    1. Verticaal samenvoegen van alle uitgangen van pupil_avg_JOVE.m voor alle sessies, dieren, SNR's en verzwakkingen om een matrix te construeren met de volgende kolommen: animalID, SNR, geluidsniveau en Pupil (1-50) diameterwaarden. Voer met behulp van de code pupil_LME_JOVE.m de groeicurveanalyse (GCA) 27,36,40,49 uit.
    2. Pas lineaire mixed-effect modellen toe met intercepties op onderwerpniveau als willekeurige effecten, en orthogonale tijdpolynomen van maximaal orde twee als vaste effecten, waarbij elke afwijkende SNR als een afzonderlijke groep wordt behandeld, tot de stijgende fase van het pupildiameterspoor (0,1 tot 2,1 s na het begin van de stimulus).
    3. Modelleer de stijgende fase van het pupilspoor met behulp van de volgende formule36,49:
      Pupilverwijding = (Onderscheppen + Conditie) + tijd1 * (β tijd1 + β tijd1: Conditie) + tijd2* (β tijd2+ βtijd2: Voorwaarde) + r(subjectlevelintercept)
      Waarbij tijd1 en tijd2 overeenkomen met orthogonale lineaire en kwadratische tijdpolynomen, en βs corresponderen met gewichten.
    4. Schat gemiddelde gewichten (βs) en hun standaardfouten met behulp van de fitlme-functie in MATLAB. Schat de statistische significantie van de gewichten met behulp van de coeftest-functie.
    5. Plot voor elke SNR de gewichten die overeenkomen met de interceptie-, lineaire en kwadratische termen om de resultaten te visualiseren (figuur 3B, C).
  4. Analyse van onderzoeken die statistisch significante pupilverwijdingen aantonen
    OPMERKING: Deze analysemethode bepaalt de fractie van afwijkende onderzoeken waarop een statistisch significante pupilverwijdingsrespons wordt waargenomen en komt overeen met de betrouwbaarheid van pupilverwijdingsresponsen.
    1. Kies een geschikt analysevenster (0,5-1 s) gecentreerd rond de piek van de pupilrespons (meestal ~ 1,5 s na het begin van de stimulus). Bereken de gemiddelde PD in dit analysevenster voor alle standaard- en afwijkende onderzoeken.
    2. Bepaal of de gemiddelde PD voor elk van de afwijkende onderzoeken groter is dan 2,33 standaardfouten van de gepoolde verdeling van gemiddelde PD-waarden voor standaardonderzoeken. Tel de afwijkende onderzoeken die deze drempel overschrijden als onderzoeken die een significante pupilverwijding laten zien.
    3. Deel het aantal afwijkende onderzoeken met een significante pupilverwijding door het totale aantal afwijkende onderzoeken (voor elke aandoening) om de fractie van onderzoeken te kwantificeren die statistisch significante toenames in PD laten zien in vergelijking met standaard stimulusstudies.
    4. Plaats al het sessiegewijze percentage van de proeven met significante pupilveranderingen in elke cel van een celarray, waar de cellen zijn gerangschikt van lagere naar hogere SNR. Gebruik de code pupil_threshold_estimate_JOVE.m. om de drempel voor het categoriseren van inbelruiscategorisering te schatten.
    5. Plot de fractie van de onderzoeken die een statistisch significante toename van PD laten zien als functie van SNR (figuur 3D). Gebruik voor deze gegevens de fitnlm MATLAB-functie (in de toolbox statistieken) om psychometrische functies van het formulier61 aan te passen:
      Ψ(x; α, β, λ) = (1 -λ) * F(x; α, β)
      Waarbij, F de Weibull-functie is, gedefinieerd als
      F(x; α, β) = figure-protocol-1, α de shiftparameter is, β de hellingsparameter en λ de vervalsnelheid.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Pupillometrie werd uitgevoerd in drie mannelijke gepigmenteerde huisartsen, met een gewicht van ~ 600-1.000 g in de loop van de experimenten. Zoals beschreven in dit protocol, werd voor het schatten van categorisatiedrempels voor call-in-noise een oddball-paradigma gebruikt voor stimuluspresentatie. In het oddball-paradigma werden oproepen die tot één categorie (whines) behoorden ingebed in witte ruis bij een bepaalde SNR gebruikt als standaardstimuli (figuur 2A) en oproepen uit een andere categorie (wheeks) ingebed in w...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Dit protocol demonstreert het gebruik van pupillometrie als een niet-invasieve en betrouwbare methode om auditieve drempels bij passief luisterende dieren te schatten. Volgens het hier beschreven protocol werden de inschakelgeluidscategoriseringsdrempels bij normaal horende huisartsen geschat. Drempels geschat met behulp van pupillometrie bleken consistent te zijn met die verkregen met behulp van operante training62. In vergelijking met operante training was het pupillometrieprotocol echter relati...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben geen belangenconflicten bekend te maken.

Dankbetuigingen

Dit werk werd ondersteund door de NIH (R01DC017141), de Pennsylvania Lions Hearing Research Foundation en fondsen van de afdelingen Otolaryngologie en Neurobiologie, Universiteit van Pittsburgh.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Analoge uitvoerkaartMeasurement Computing Corporation, Norton, MAPCI-DDA02/12
Anechoïsch schuimSonex One, Pinta Acoustic, Minneapolis, MN
CondensatormicrofoonBehringer, Willich, DuitslandC-2
Free-field microfoonBruel & Kjaer, Denemarken) Type 4940 
MatlabMathworks, Inc., Natick, MA2018a versie
Monoculaire camera op afstand en verlichtingssysteemArrington Research, Scottsdale, AZMCU902Infrarood LED-array + camera met infraroodfilter
Multifunctioneel I/O-apparaat National Instruments, Austin, TXPCI-6229
Neurale interfaceprocessorRipple Neuro, Salt Lake City, UTSCOUT
Piezo-elektrische bewegingssensorSparkFun Electronics, Niwot, COSEN-10293
Pinched klep Cole-Palmer Instrument Co., Vernon Hills, ILEW98302-02
Programmeerbare verzwakkerTucker-Davis Technologies, Alachua, FLPA5
Siliconen buisCole-Parmer~3 mm
GeluidsdempingskamerIAC Acoustics
Luidspreker full-range driverTang Band Speaker, Taipei, TaiwanW4-1879
StereoversterkerTucker-Davis Technologies, Alachua, FLSA1
Tabletop - CleanTop OpticalTMC vibration control / Ametek, Peabody, MA
Viewpoint softwareViewPoint, Arrington Research, Scottsdale, AZ

Referenties

  1. Steinhauer, S. R., Siegle, G. J., Condray, R., Pless, M. Sympathetic and parasympathetic innervation of pupillary dilation during sustained processing. International Journal of Psychophysiology. 52 (1), 77-86 (2004).
  2. Strauch, C., Wang, C. A., Einhäuser, W., Vander Stigchel, S., Naber, M. Pupillometry as an integrated readout of distinct attentional networks. Trends in Neurosciences. 45 (8), 635-647 (2022).
  3. Turnbull, P. R., Irani, N., Lim, N., Phillips, J. R. Origins of Pupillary Hippus in the autonomic nervous system. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 58 (1), 197-203 (2017).
  4. Bradley, M. M., Miccoli, L., Escrig, M. A., Lang, P. J. The pupil as a measure of emotional arousal and autonomic activation. Psychophysiology. 45 (4), 602-607 (2008).
  5. Oliva, M., Anikin, A. Pupil dilation reflects the time course of emotion recognition in human vocalizations. Scientific Reports. 8 (1), 4871(2018).
  6. Privitera, C. M., Renninger, L. W., Carney, T., Klein, S., Aguilar, M. Pupil dilation during visual target detection. Journal of Vision. 10 (10), 3(2010).
  7. Zekveld, A. A., Koelewijn, T., Kramer, S. E. The pupil dilation response to auditory stimuli: Current state of knowledge. Trends in Hearing. 22, 2331216518777174(2018).
  8. Alamia, A., VanRullen, R., Pasqualotto, E., Mouraux, A., Zenon, A. Pupil-linked arousal responds to unconscious surprisal. The Journal of Neuroscience. 39 (27), 5369-5376 (2019).
  9. Wang, C. A., et al. Arousal effects on pupil size, heart rate, and skin conductance in an emotional face task. Frontiers in Neurology. 9, 1029(2018).
  10. Hess, E. H., Polt, J. M. Pupil size in relation to mental activity during simple problem-solving. Science. 143 (3611), 1190-1192 (1964).
  11. Kahneman, D., Beatty, J. Pupil diameter and load on memory. Science. 154 (3756), 1583-1585 (1966).
  12. Lisi, M., Bonato, M., Zorzi, M. Pupil dilation reveals top-down attentional load during spatial monitoring. Biological Psychology. 112, 39-45 (2015).
  13. Zhao, S., Bury, G., Milne, A., Chait, M. Pupillometry as an objective measure of sustained attention in young and older listeners. Trends in Hearing. 23, 2331216519887815(2019).
  14. Steinhauer, S. R., Hakerem, G. The pupillary response in cognitive psychophysiology and schizophrenia. Annals of the New York Academy of Sciences. 658, 182-204 (1992).
  15. Thakkar, K. N., et al. Reduced pupil dilation during action preparation in schizophrenia. International Journal of Psychophysiology. 128, 111-118 (2018).
  16. Bitsios, P., Szabadi, E., Bradshaw, C. M. Relationship of the 'fear-inhibited light reflex' to the level of state/trait anxiety in healthy subjects. International Journal of Psychophysiology. 43 (2), 177-184 (2002).
  17. Burkhouse, K. L., Siegle, G. J., Gibb, B. E. Pupillary reactivity to emotional stimuli in children of depressed and anxious mothers. Journal of Child Psychology and Psychiatry. 55 (9), 1009-1016 (2014).
  18. Nagai, M., Wada, M., Sunaga, N. Trait anxiety affects the pupillary light reflex in college students. Neuroscience Letters. 328 (1), 68-70 (2002).
  19. Giza, E., Fotiou, D., Bostantjopoulou, S., Katsarou, Z., Karlovasitou, A. Pupil light reflex in Parkinson's disease: evaluation with pupillometry. International Journal of Neuroscience. 121 (1), 37-43 (2011).
  20. You, S., Hong, J. H., Yoo, J. Analysis of pupillometer results according to disease stage in patients with Parkinson's disease. Scientific Reports. 11 (1), 17880(2021).
  21. Fountoulakis, K. N., St Kaprinis, G., Fotiou, F. Is there a role for pupillometry in the diagnostic approach of Alzheimer's disease? a review of the data. Journal of the American Geriatrics Society. 52 (1), 166-168 (2004).
  22. McGinley, M. J., David, S. V., McCormick, D. A. Cortical membrane potential signature of optimal states for sensory signal detection. Neuron. 87 (1), 179-192 (2015).
  23. McGinley, M. J., et al. Waking state: Rapid variations modulate neural and behavioral responses. Neuron. 87 (6), 1143-1161 (2015).
  24. Schwartz, Z. P., Buran, B. N., David, S. V. Pupil-associated states modulate excitability but not stimulus selectivity in primary auditory cortex. Journal of Neurophysiology. 123 (1), 191-208 (2020).
  25. Vinck, M., Batista-Brito, R., Knoblich, U., Cardin, J. A. Arousal and locomotion make distinct contributions to cortical activity patterns and visual encoding. Neuron. 86 (3), 740-754 (2015).
  26. Yüzgeç, Ö, Prsa, M., Zimmermann, R., Huber, D. Pupil size coupling to cortical states protects the stability of deep sleep via parasympathetic modulation. Current Biology. 28 (3), 392-400 (2018).
  27. Kuchinsky, S. E., et al. Pupil size varies with word listening and response selection difficulty in older adults with hearing loss. Psychophysiology. 50 (1), 23-34 (2013).
  28. Winn, M. B., Wendt, D., Koelewijn, T., Kuchinsky, S. E. Best practices and advice for using pupillometry to measure listening effort: An introduction for those who want to get started. Trends in Hearing. 22, 2331216518800869(2018).
  29. Zekveld, A. A., Kramer, S. E. Cognitive processing load across a wide range of listening conditions: insights from pupillometry. Psychophysiology. 51 (3), 277-284 (2014).
  30. Zekveld, A. A., Kramer, S. E., Festen, J. M. Cognitive load during speech perception in noise: the influence of age, hearing loss, and cognition on the pupil response. Ear and Hearing. 32 (4), 498-510 (2011).
  31. Koelewijn, T., Zekveld, A. A., Festen, J. M., Kramer, S. E. Pupil dilation uncovers extra listening effort in the presence of a single-talker masker. Ear and Hearing. 33 (2), 291-300 (2012).
  32. McCloy, D. R., Lau, B. K., Larson, E., Pratt, K. A. I., Lee, A. K. C. Pupillometry shows the effort of auditory attention switching. The Journal of the Acoustical Society of America. 141 (4), 2440(2017).
  33. Piquado, T., Isaacowitz, D., Wingfield, A. Pupillometry as a measure of cognitive effort in younger and older adults. Psychophysiology. 47 (3), 560-569 (2010).
  34. Reilly, J., Kelly, A., Kim, S. H., Jett, S., Zuckerman, B. The human task-evoked pupillary response function is linear: Implications for baseline response scaling in pupillometry. Behavior Research Methods. 51 (2), 865-878 (2019).
  35. Zekveld, A. A., Kramer, S. E., Festen, J. M. Pupil response as an indication of effortful listening: the influence of sentence intelligibility. Ear and Hearing. 31 (4), 480-490 (2010).
  36. Winn, M. B., Edwards, J. R., Litovsky, R. Y. The impact of auditory Spectral Resolution on Listening Effort Revealed by Pupil Dilation. Ear and Hearing. 36 (4), 153-165 (2015).
  37. Ayasse, N. D., Wingfield, A. A Tipping point in listening effort: Effects of linguistic complexity and age-related hearing loss on sentence comprehension. Trends in Hearing. 22, 2331216518790907(2018).
  38. Koelewijn, T., Versfeld, N. J., Kramer, S. E. Effects of attention on the speech reception threshold and pupil response of people with impaired and normal hearing. Hearing Research. 354, 56-63 (2017).
  39. Kramer, S. E., Kapteyn, T. S., Festen, J. M., Kuik, D. J. Assessing aspects of auditory handicap by means of pupil dilatation. Audiology. 36 (3), 155-164 (1997).
  40. Kuchinsky, S. E., et al. Speech-perception training for older adults with hearing loss impacts word recognition and effort. Psychophysiology. 51 (10), 1046-1057 (2014).
  41. Wendt, D., Hietkamp, R. K., Lunner, T. Impact of noise and noise reduction on processing effort: A pupillometry study. Ear and Hearing. 38 (6), 690-700 (2017).
  42. Winn, M. B. Rapid release from listening effort resulting from semantic context, and effects of spectral degradation and cochlear implants. Trends in Hearing. 20, 2331216516669723(2016).
  43. Winn, M. B., Moore, A. N. Pupillometry reveals that context benefit in speech perception can be disrupted by later-occurring sounds, especially in listeners with Cochlear implants. Trends in Hearing. 22, 2331216518808962(2018).
  44. Selezneva, E., Brosch, M., Rathi, S., Vighneshvel, T., Wetzel, N. Comparison of pupil dilation responses to unexpected sounds in monkeys and humans. Frontiers in Psychology. 12, 754604(2021).
  45. Wetzel, N., Buttelmann, D., Schieler, A., Widmann, A. Infant and adult pupil dilation in response to unexpected sounds. Developmental Psychobiology. 58 (3), 382-392 (2016).
  46. Sokolov, E. N. Higher nervous functions; the orienting reflex. Annual Review of Physiology. 25, 545-580 (1963).
  47. Bala, A. D., Takahashi, T. T. Pupillary dilation response as an indicator of auditory discrimination in the barn owl. Journal of Comparative Physiology A. 186 (5), 425-434 (2000).
  48. Bala, A. D. S., Whitchurch, E. A., Takahashi, T. T. Human auditory detection and discrimination measured with the pupil dilation Response. Journal of the Association for Research in Otolaryngology. 21 (1), 43-59 (2020).
  49. Montes-Lourido, P., Kar, M., Kumbam, I., Sadagopan, S. Pupillometry as a reliable metric of auditory detection and discrimination across diverse stimulus paradigms in animal models. Scientific Reports. 11 (1), 3108(2021).
  50. Coomber, B., et al. Neural changes accompanying tinnitus following unilateral acoustic trauma in the guinea pig. European Journal of Neuroscience. 40 (2), 2427-2441 (2014).
  51. Fan, L., et al. Pre-exposure to lower-level noise mitigates cochlear synaptic loss induced by high-level noise. Frontiers in Systems Neuroscience. 14, 25(2020).
  52. Furman, A. C., Kujawa, S. G., Liberman, M. C. Noise-induced cochlear neuropathy is selective for fibers with low spontaneous rates. Journal of Neurophysiology. 110 (3), 577-586 (2013).
  53. Hickman, T. T., Hashimoto, K., Liberman, L. D., Liberman, M. C. Synaptic migration and reorganization after noise exposure suggests regeneration in a mature mammalian cochlea. Scientific Reports. 10 (1), 19945(2020).
  54. Huetz, C., Guedin, M., Edeline, J. M. Neural correlates of moderate hearing loss: time course of response changes in the primary auditory cortex of awake guinea-pigs. Frontiers in Systems Neuroscience. 8, 65(2014).
  55. Lin, H. W., Furman, A. C., Kujawa, S. G., Liberman, M. C. Primary neural degeneration in the Guinea pig cochlea after reversible noise-induced threshold shift. Journal of the Association for Research in Otolaryngology. 12 (5), 605-616 (2011).
  56. Shi, L., et al. Ribbon synapse plasticity in the cochleae of Guinea pigs after noise-induced silent damage. PLoS One. 8 (12), 81566(2013).
  57. Naert, G., Pasdelou, M. P., Le Prell, C. G. Use of the guinea pig in studies on the development and prevention of acquired sensorineural hearing loss, with an emphasis on noise. The Journal of the Acoustical Society of America. 146 (5), 3743(2019).
  58. Montes-Lourido, P., Kar, M., Pernia, M., Parida, S., Sadagopan, S. Updates to the guinea pig animal model for in-vivo auditory neuroscience in the low frequency regime. Hearing Research. 424, 108603(2022).
  59. Gao, L., Wang, X. Intracellular neuronal recording in awake nonhuman primates. Nature Protocols. 15 (11), 3615-3631 (2020).
  60. Lu, T., Liang, L., Wang, X. Neural representations of temporally asymmetric stimuli in the auditory cortex of awake primates. Journal of Neurophysiology. 85 (6), 2364-2380 (2001).
  61. Wichmann, F. A., Hill, N. J. The psychometric function: I. Fitting, sampling, and goodness of fit. Perception & psychophysics. 63 (8), 1293-1313 (2001).
  62. Kar, M., et al. Vocalization categorization behavior explained by a feature-based auditory categorization model. bioRxiv. , 483596(2022).
  63. Schaeffer, D. J., Liu, C., Silva, A. C., Everling, S. Magnetic resonance imaging of marmoset monkeys. ILAR Journal. 61 (2-3), 274-285 (2020).
  64. Drucker, C. B., Carlson, M. L., Toda, K., DeWind, N. K., Platt, M. L. Non-invasive primate head restraint using thermoplastic masks. Journal of Neuroscience Methods. 253, 90-100 (2015).
  65. Meyer, A. F., O'Keefe, J., Poort, J. Two distinct types of eye-head coupling in freely moving mice. Current Biology. 30 (11), 2116-2130 (2020).
  66. Nath, T., et al. Using DeepLabCut for 3D markerless pose estimation across species and behaviors. Nature Protocols. 14 (7), 2152-2176 (2019).
  67. DiNino, M., Holt, L. L., Shinn-Cunningham, B. G. Cutting through the noise: Noise-Induced cochlear synaptopathy and individual differences in speech understanding among listeners with normal audiograms. Ear and Hearing. 43 (1), 9-22 (2022).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Tags

Cavia-modeldoor lawaai veroorzaakt gehoorverliesoddball-paradigmapupildilatatiereactiesignaal-ruisverhoudingcategorisering van vocalisatieselektrofysiologische registratiegeluidsherkenningsdrempel
Pupilolie om auditieve sensatie bij cavia's te beoordelen
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan de bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleidsoverzicht

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.